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1、基于人机工程学的汽车座椅设计研究摘要: 驾驶员坐姿舒适性仿真通常可以量化为驾驶姿势不舒适度模型。驾驶姿势不舒适度预测模型是根据驾驶姿势的影响因素,评价驾驶姿势不舒适度的数学模型。本文对重型商用车坐姿舒适性仿真研究主要做了以下几方面工作:首先,研究了在汽车领域计算机辅助人机工程技术的发展背景及国内外研究现状,并对当今比较流行的舒适度建模方法进行了深入的总结。针对这些方法的不足,提出了基于关节载荷的驾驶姿势不舒适度建模方法。其次,进行了适宜驾驶姿势规律的实验研究。通过设计下肢、躯干、上肢实验,获取了建立姿势不舒适度模型所需要的关节载荷和关节坐标数据。最后,建立了以维持身体姿势的关节力及扭矩为目标函
2、数,以人体姿势变量和汽车设计变量为预测因子的人体不舒适度预测模型,并将模型应用于实际项目的方案分析中。 关键词：驾驶员 驾驶姿势 人机工程技术 人体舒适度1 引言 随着时代的发展，当今社会已由工业社会向信息社会即后工业社会过渡，人类赖以生存的生活空间和生活方式，处处都是经过设计并不断完善的设计世界。现代设计，作为一种广泛的文化活动，已成为人们生活中的一部分。人们开始追求高品质的舒适生活,于是按照人体工程学设计的产品也就越来越受到大众的欢迎。人体工程学的产品也就成了现代社会人们追求的目标。先以汽车座椅为例,人体工程学的家具并不是人们头脑中所想象的仅有数据符合的座椅,它还包括除了人体生理数据之外的
3、很多因素。它的设计原则除了常见的尺度设计原则,人体机能和环境设计原则,健康设计原则外还应该讲求黄金分割比的设计原则。并指出在这些原则的指导下好的人体工程学座椅是功能与美学相结合的产品,可以为人带来身心两方面的享受。2 舒适驾乘首要在于座椅设计 通过对汽车座椅设计中的人机因素分析,即尺度、形态、功能、色彩四方面的具体分析寻求汽车座椅设计与人机工程学的关系,从而论证目前汽车座椅设计中人机工程学应用的一些局限性,即学科内涵与目标的矛盾、共性原则与个性需求的矛盾、统计与个案的矛盾以及合理与合情的矛盾,通过对这些应用矛盾的透析,探求出汽车座椅设计中人机工程学应用的原则,从而最终为汽车座椅产品设计中人机工
4、程学的应用探索出一条道路。而人机工程学在汽车座椅设计中的作用主要体现在以下几方面 （1）为确定汽车空间范围提供依据。 （2）为设计汽车座椅提供依据 。（3）为确定感觉器官的适应能力提供依据。 融人机工程学原理于汽车座椅设计已达到更大舒适度： 2.1 研究现状及主要内容 现代科学技术的突飞猛进，以及人们工作和生活空间的不段变化，就要求汽车座椅的生产企业在座椅的设计、生产方式等方面进行改革，同时也要考虑降低成本，提高汽车座椅的经济性。因此市场不断细分，多种不同类型和不同设计的汽车座椅不断进入市场。人们对汽车座椅外观样式、材料品质的追求，使汽车座椅的设计样式丰富多姿，各有特色。从而也使汽车座椅在设计
5、上取得了瞩目的成绩。可以说汽车座椅发生的巨大变化，是老百姓不断变化的需求造成的。2.2研究方法 按照人机工程学的原理，以社会大众需求为宗旨，重视人体舒适感相关的各种科学性问题，深入研究。例如，人在汽车上坐椅子坐久了会不会感到不舒服、椅身的高度和椅腿的长度是否合适、椅腿是否完全着地、如果是带扶手的椅子，当把胳膊搭在扶手上时，肩部的位置感觉会如何等。这样，座椅既具备了优美典雅的视觉感受，同时也拥有满足人们日常生活和工作需要的实用功能。 座椅是对人们活动起辅助作用的工具首先必须能够承受人们活动带来的各种力量和冲击。在设计初期就应该考虑到座椅对外部冲击的承受力，否则就不能充分体现座椅的实用功能。因此应
6、在充分了解座椅构造的基础上进行设计，以达到既美观又实用的目的。 2.3可行性分析 关于人机工程学在家居设计中的应用的提出，其可行性根本基于以下几点： 2.3.1概念化阶段 概念化阶段是整体设计的理念和宗旨，是保证今后具体设计得以顺利进行的前提条件。对椅子设计概念化进行设定的过程，涉及椅子相关的功能性、构造和材料以及形状等问题。2.3.2具体化阶段 具体化阶段是按照在概念化阶段设定的设计方案，解决座椅的构造、功能和美观问题并创造出其基本形状。在这个阶段要画很多草图、图样，做出模型，还要选择材料，讨论座椅的构造以及其他一些细节问题等。座椅设计的具体化阶段就是创造出产品形状的过程简单地讲就是做出座椅
7、造型的外观图样，并对其进行论证。2.3.3周详设计阶段 座椅设计的关键是将重点放在符合整体的外观和核心架构的设计上。产品的外观、座椅的造型以及稳定的构造应该既反映其精湛设计，又能实现人们对舒适的要求，这就是汽车座椅设计的重点。 2.3.4检验校核阶段 通过以上各阶段步骤完成的产品设计可能并不是完美的。尤其是座椅与人体结构有着密切的关系，可以说人们对产品设计的合理性和适用性的评判是很重要的。因此应该对设计进行检验和校核。对于座椅的设计来说椅子的底座部分能否稳定地支撑人体体重是很重要的。当然除此之外对支撑人体背部的椅背部分和扶手部分的检验也是很必要的。 3 汽车座椅舒适性及安全性设计研究坐舒适度及
8、安全性是评价汽车性能的主要指标，而随着当今科学技术及生活水平的不断改善和发展，人们对于座椅舒适要求也不断提升。其中汽车座椅的舒适度及安全性设计已成为当今汽车产商所关注的主要内容。座椅的主要功能是支撑驾驶员及乘坐人员的身体减缓路面不平传给人体的冲击并减 弱由此而引起的振动。给驾乘提供舒适、安全的乘坐条件和便于驾驶操作的良好的工作条件 。通过查阅相关资料并对当前市民针对汽车座椅舒适性的市场调查考证，由生物动力学研究表明，长时间地承受高强度的全身振动对于人体健康的损害是相当严重的。主要是腰脊和相关的神经系统会受到影响。新陈代谢以及源于机体内部的一些其他因素会恶化这个影响，通常认为环境因素如身体姿势、
9、低温及气流会引起肌肉疼痛。通过取证分析可以得到以下结论（一）座椅舒适度研究（1）座椅舒适度的指标根据人机工程学原理,为保证良好的舒适度，针对静态舒适度，设计中应遵循以下原则： 座椅尺寸应与人体测量尺寸相适宜；座椅应可调节，能使乘坐者变换姿势，并最大范围 满足各类人体的乘坐要求；座椅应能使乘坐者保持舒适坐姿，靠背结构和尺寸应给腰部充分的支撑,使脊柱接近于正常弯曲状态。（2）座椅舒适度的影响因素座椅的几何尺寸是影响座椅舒适度的因素，但研究发现这并非唯一最主要的影响因素。许多文献都提及腰部支撑的重要作用。腰托的形状和位置，对于是否能使人保持良好坐姿，减少人体疲劳具有重要作用。从人机工程学的角度来讲腰
10、部是体现座椅功能的关键部位。因此 座椅的腰托是影响舒适性的关键因素。腰托的安装位置在座椅靠背结构设计中十分重要。 乘员正常入座时，人体身躯与大腿的连接点胯点(hip point)简称H点H点的位置是决定驾驶员操作方便、乘坐舒适性相关的车内尺寸的基准。此外，座椅的调节特性对座椅的舒适 度影响很大，已成为座椅舒适度设计中重点考虑的因素。压力分布是导致不舒适的最主要的 生物力学因素，通过界面压力对座椅舒适度进行评价是一种重要客观、有效的方法。（3）座椅舒适度的研究方法从汽车座椅设计及改善的角度出发，消除座椅不舒适性最理想的方法是能建立定量模型，预测座椅的不舒适性。国内外研究中,建立的模型主要有如下3
11、种：利用模糊理论建立的模型、线性模型和神经网络模型。 目前，国内在座椅舒适度的研究上还存在一些缺陷：没有针对中国人体特征尺寸的座椅舒适性研究；对于座椅静态舒适性评价还没有形成一套客观系统的体系；在应用神经 网络建模方法评价舒适性中，对输入量的界定还不够清晰明确有待进一步研究。（二）座椅安全性设计座椅安全性设计的内容主要包括以下几个方面:座椅强度的设计、座椅结构型式的设计、靠背的设计、坐垫的设计、头枕的设计。（1）座椅强度的设计座椅强度的设计是安全性设计的首要内容。汽车行驶中座椅要承受复杂的载荷。汽车座椅必须有足够的强度以确保座椅上的人，所受的伤害最小，座椅的寿命应足够长，不致过早变 形或损坏，
12、受冲击载荷作用时，座椅不应发生断裂、严重变形等损坏现象。所以设计座椅时， 必须对汽车座椅的强度进行计算尽量以最少的材料、最小的质量满足强度要求。（2）座椅结构型式的设计座椅整体结构的安全性设计应考虑的是其对其他约束系统效能的影响及与其他约束系统之间 的连接方式等。 （3）靠背的设计靠背的安全性设计应考虑靠背的强度、倾角、基本尺寸及其形状。靠背的强度设计不但应该 在“追尾”等后部碰撞时给乘员提供良好的保护，而且也要考虑侧碰时对乘员的保护。而靠 背倾角、基本尺寸及其形状对尾部碰撞的严重程度有很大影响。（4）坐垫的设计坐垫一般不会造成对乘员的直接冲击伤害，但坐垫的结构可以影响到乘员运动过程、约束力
13、加到乘员身体上的方式及外部载荷(加速度、力等)的绝对值大小。坐垫深度设计的原则是在 充分利用靠背的情况下，使臀部得到合理的支撑。坐垫深度不应该超过人的大腿长度。（5）头枕的设计头枕是一种用以限制乘员头部相对于躯干向后移位的弹性装置其作用是在发生碰撞时，减轻乘员颈椎可能受到的损伤。尤其是在汽车受到追尾碰撞时可抑制乘员头部后倾防止或减轻颈部损伤。现多采用模拟计算和试验验证相结合的研究方法该方法重复性好、存储信息量大、开发周期短且开发费用低。 4 基于汽车座椅舒适度设计中面临的问题 一般的座椅是由几千个零件组装而成，在建模前首先需要对座椅的整体结构进行分析，确定各个零件对强度特性的影响，根据影响程度
14、的不同对零件进行筛选。对于座椅中主要的支撑性零部件，应精确建模，以保证模型的正确性，对静强度特性影响不大的零件，只要抓住其主要的几何形状进行建模即可，对于基本没影响的部件，可以简单建模或不建模。汽车座椅骨架属于空间杆系和空间板系的组合结构，由于各种调节机构设计，导致结构不完全对称，同时，汽车在行驶过程中座椅承受复杂的载荷结构中的各个杆件既受弯曲又受扭转。 通过调查研究，我们还了解到，早期的汽车座椅骨架大都采用简单的钢管结构，因此最早采用空间梁单元进行强度分析。受硬件设备与软件水平的限制，当时的座椅有限元模型都比较简单，单元和节点数目较少。随着座椅结构形式的不断变化，单纯用梁单元已不足以精确地描
15、述座椅骨架的结构于是越来越多地使用了其他的单元形式建模，如空间板壳单元、实体单元等。在新的世纪里人们以新的方式来感知世界，人们越来越多的在追求一种新的生存环境和生存空间，毫无疑义未来的人性化设计具有更加全面立体的内涵，它将超越人们过去所局限的人与物的关系的认识向时间、空间、生理感官和心理方向发展，同时通过现代高科技技术如虚拟现实、互联网络等多种数字化的形式而扩延。 国内汽车座椅行业应该致力于简化座椅的设计开发过程，大幅度缩短开发周期，减少开发费用和成本，提高产品质量和性能，获得最优化的创新设计产品，这样才能更好地促进我国座椅行业的设计国际化、现代化。我们希望这种汽车座椅的设计可以更好地保护人们的腰部和颈部。同时要想设法使驾驶员驾车时有更舒适、更安全的驾驶环境，对于当前的汽车座椅设计，高度的运用人机工程学知识，更大的提高人体舒适度，是极为必要，也是势在必行。 参考文献1王正华，喻凡，庄德军.汽车座椅舒适性的主观和客观评价研究2.汽车工程.2006 (9) :817.3 孟翔,王宏明.基于ADAMS的汽车座椅冲击强度研究J.机械设计与制造2007(11):167.
